5V→3.3V有源鉗位

使用二極管鉗位有一個(gè)問(wèn)題，即它將向 3.3V 電源注入電流。在具有高電流 5V 輸出且輕載 3.3V 電源軌的設(shè)計(jì)中，這種電流注入可能會(huì)使 3.3V 電源電壓超過(guò) 3.3V。為了避免這個(gè)問(wèn)題，可以用一個(gè)三極管來(lái)替代，三極管使過(guò)量的輸出驅(qū)動(dòng)電流流向地，而不是 3.3V 電源。設(shè)計(jì)的電路如圖 11-1 所示。

Q1的基極-發(fā)射極結(jié)所起的作用與二極管鉗位電路中的二極管相同。區(qū)別在于，發(fā)射極電流只有百分之幾流出基極進(jìn)入 3.3V 軌，絕大部分電流都流向集電極，再?gòu)募姌O無(wú)害地流入地?；鶚O電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10-400，取決于所使用的晶體管。

5V→3.3V電阻分壓器

可以使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器將 5V 器件的輸出降低到適用于 3.3V 器件輸入的電平。這種接口的等效電路如圖 12-1 所示。

通常，源電阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果選擇的 R1 遠(yuǎn)大于RS 的話，那么可以忽略 RS 對(duì) R1 的影響。在接收端，負(fù)載電阻 RL 非常大 （大于500 kΩ），如果選擇的R2遠(yuǎn)小于RL的話，那么可以忽略 RL 對(duì) R2 的影響。

在功耗和瞬態(tài)時(shí)間之間存在取舍權(quán)衡。為了使接口電流的功耗需求最小，串聯(lián)電阻 R1 和 R2 應(yīng)盡可能大。但是，負(fù)載電容 （由雜散電容 CS 和 3.3V 器件的輸入電容 CL 合成）可能會(huì)對(duì)輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間產(chǎn)生不利影響。如果 R1 和 R2 過(guò)大，上升和下降時(shí)間可能會(huì)過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法接受。

如果忽略 RS 和 RL 的影響，則確定 R1 和 R2 的式子由下面的公式 12-1 給出。

公式 12-2 給出了確定上升和下降時(shí)間的公式。為便于電路分析，使用戴維寧等效計(jì)算來(lái)確定外加電壓 VA 和串聯(lián)電阻R。戴維寧等效計(jì)算定義為開(kāi)路電壓除以短路電流。根據(jù)公式 12-2 所施加的限制，對(duì)于圖 12-1 所示電路，確定的戴維寧等效電阻 R 應(yīng)為 0.66*R1，戴維寧等效電壓 VA 應(yīng)為0.66*VS。

例如，假設(shè)有下列條件存在：

? 雜散電容 = 30 pF

? 負(fù)載電容 = 5 pF

? 從 0.3V 至 3V 的最大上升時(shí)間 ≤ 1 μs

? 外加源電壓 Vs = 5V

確定最大電阻的計(jì)算如公式 12-3 所示。

3.3V→5V電平轉(zhuǎn)換器

盡管電平轉(zhuǎn)換可以分立地進(jìn)行，但通常使用集成解決方案較受歡迎。電平轉(zhuǎn)換器的使用范圍比較廣泛：有單向和雙向配置、不同的電壓轉(zhuǎn)換和不同的速度，供用戶選擇最佳的解決方案。

器件之間的板級(jí)通訊 （例如， MCU 至外設(shè)）通過(guò) SPI 或 I2C? 來(lái)進(jìn)行，這是最常見(jiàn)的。對(duì)于SPI，使用單向電平轉(zhuǎn)換器比較合適；對(duì)于 I2C，就需要使用雙向解決方案。下面的圖 13-1 顯示了這兩種解決方案。

模擬

3.3V 至 5V 接口的最后一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，使之跨越電源障礙。低電平信號(hào)可能不需要外部電路，但在 3.3V 與 5V 之間傳送信號(hào)的系統(tǒng)則會(huì)受到電源變化的影響。例如，在 3.3V 系統(tǒng)中，ADC轉(zhuǎn)換1V峰值的模擬信號(hào)，其分辨率要比5V系統(tǒng)中 ADC 轉(zhuǎn)換的高，這是因?yàn)樵?3.3V ADC 中，ADC 量程中更多的部分用于轉(zhuǎn)換。但另一方面，3.3V 系統(tǒng)中相對(duì)較高的信號(hào)幅值，與系統(tǒng)較低的共模電壓限制可能會(huì)發(fā)生沖突。

因此，為了補(bǔ)償上述差異，可能需要某種接口電路。本節(jié)將討論接口電路，以幫助緩和信號(hào)在不同電源之間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

3.3V→5V模擬增益模塊

從 3.3V 電源連接至 5V 時(shí)，需要提升模擬電壓。33 kΩ 和 17kΩ 電阻設(shè)定了運(yùn)放的增益，從而在兩端均使用滿量程。11 kΩ 電阻限制了流回 3.3V 電路的電流。

3.3V→5V模擬補(bǔ)償模塊

該模塊用于補(bǔ)償 3.3V 轉(zhuǎn)換到 5V 的模擬電壓。下面是將 3.3V 電源供電的模擬電壓轉(zhuǎn)換為由 5V電源供電。右上方的 147 kΩ、 30.1 kΩ 電阻以及+5V 電源，等效于串聯(lián)了 25 kΩ 電阻的 0.85V 電壓源。這個(gè)等效的 25 kΩ 電阻、三個(gè) 25 kΩ 電阻以及運(yùn)放構(gòu)成了增益為 1 V/V 的差動(dòng)放大器。 0.85V等效電壓源將出現(xiàn)在輸入端的任何信號(hào)向上平移相同的幅度；以 3.3V/2 = 1.65V 為中心的信號(hào)將同時(shí)以 5.0V/2 = 2.50V 為中心。左上方的電阻限制了來(lái)自 5V 電路的電流。

5V→3.3V有源模擬衰減器

此技巧使用運(yùn)算放大器衰減從 5V 至 3.3V 系統(tǒng)的信號(hào)幅值。

要將 5V 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 3.3V 模擬信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是使用 R1:R2 比值為 1.7:3.3 的電阻分壓器。然而，這種方法存在一些問(wèn)題。

1）衰減器可能會(huì)接至容性負(fù)載，構(gòu)成不期望得到的低通濾波器。

2）衰減器電路可能需要從高阻抗源驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。

無(wú)論是哪種情形，都需要運(yùn)算放大器用以緩沖信號(hào)。

所需的運(yùn)放電路是單位增益跟隨器 （見(jiàn)圖 16-1）。

電路輸出電壓與加在輸入的電壓相同。

為了把 5V 信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低的 3V 信號(hào)，我們只要加上電阻衰減器即可。

如果電阻分壓器位于單位增益跟隨器之前，那么將為 3.3V 電路提供最低的阻抗。此外，運(yùn)放可以從3.3V 供電，這將節(jié)省一些功耗。如果選擇的 X 非常大的話， 5V 側(cè)的功耗可以最大限度地減小。

如果衰減器位于單位增益跟隨器之后，那么對(duì) 5V源而言就有最高的阻抗。運(yùn)放必須從 5V 供電，3V 側(cè)的阻抗將取決于 R1||R2 的值。

5V→3.3V模擬限幅器

在將 5V 信號(hào)傳送給 3.3V 系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)可以將衰減用作增益。如果期望的信號(hào)小于 5V，那么把信號(hào)直接送入 3.3V ADC 將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)信號(hào)接近 5V 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。所以，需要控制電壓越限的方法，同時(shí)不影響正常范圍中的電壓。這里將討論三種實(shí)現(xiàn)方法。

1. 使用二極管，鉗位過(guò)電壓至 3.3V 供電系統(tǒng)。

2. 使用齊納二極管，把電壓鉗位至任何期望的電壓限。

3. 使用帶二極管的運(yùn)算放大器，進(jìn)行精確鉗位。

進(jìn)行過(guò)電壓鉗位的最簡(jiǎn)單的方法，與將 5V 數(shù)字信號(hào)連接至 3.3V 數(shù)字信號(hào)的簡(jiǎn)單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過(guò)量電流流入 3.3V 電源。選用的電阻值必須能夠保護(hù)二極管和 3.3V 電源，同時(shí)還不會(huì)對(duì)模擬性能造成負(fù)面影響。如果 3.3V 電源的阻抗太低，那么這種類型的鉗位可能致使3.3V 電源電壓上升。即使 3.3V 電源有很好的低阻抗，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，以及在頻率足夠高的情況下，當(dāng)二極管沒(méi)有導(dǎo)通時(shí) （由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號(hào)向 3.3V 電源施加噪聲。

為了防止輸入信號(hào)對(duì)電源造成影響，或者為了使輸入應(yīng)對(duì)較大的瞬態(tài)電流時(shí)更為從容，對(duì)前述方法稍加變化，改用齊納二極管。齊納二極管的速度通常要比第一個(gè)電路中所使用的快速信號(hào)二極管慢。不過(guò)，齊納鉗位一般來(lái)說(shuō)更為結(jié)實(shí)，鉗位時(shí)不依賴于電源的特性參數(shù)。鉗位的大小取決于流經(jīng)二極管的電流。這由 R1 的值決定。如果 VIN 源的輸出阻抗足夠大的話，也可不需要 R1。

如果需要不依賴于電源的更為精確的過(guò)電壓鉗位，可以使用運(yùn)放來(lái)得到精密二極管。電路如圖 17-3所示。運(yùn)放補(bǔ)償了二極管的正向壓降，使得電壓正好被鉗位在運(yùn)放的同相輸入端電源電壓上。如果運(yùn)放是軌到軌的話，可以用 3.3V 供電。

由于鉗位是通過(guò)運(yùn)放來(lái)進(jìn)行的，不會(huì)影響到電源。

運(yùn)放不能改善低電壓電路中出現(xiàn)的阻抗，阻抗仍為R1 加上源電路阻抗。

驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管

在驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管時(shí)，基極 “驅(qū)動(dòng)”電流和正向電流增益 （Β/hFE）將決定晶體管將吸納多少電流。如果晶體管被單片機(jī) I/O 端口驅(qū)動(dòng)，使用端口電壓和端口電流上限 （典型值 20 mA）來(lái)計(jì)算基極驅(qū)動(dòng)電流。如果使用的是 3.3V 技術(shù)，應(yīng)改用阻值較小的基極電流限流電阻，以確保有足夠的基極驅(qū)動(dòng)電流使晶體管飽和。

RBASE的值取決于單片機(jī)電源電壓。公式18-1 說(shuō)明了如何計(jì)算 RBASE。

如果將雙極型晶體管用作開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟或關(guān)閉由單片機(jī) I/O 端口引腳控制的負(fù)載，應(yīng)使用最小的 hFE規(guī)范和裕度，以確保器件完全飽和。

3V 技術(shù)示例：

對(duì)于這兩個(gè)示例，提高基極電流留出裕度是不錯(cuò)的做法。將 1mA 的基極電流驅(qū)動(dòng)至 2 mA 能確保飽和，但代價(jià)是提高了輸入功耗。

驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET晶體管

在選擇與 3.3V 單片機(jī)配合使用的外部 N 溝道MOSFET 時(shí)，一定要小心。MOSFET 柵極閾值電壓表明了器件完全飽和的能力。對(duì)于 3.3V 應(yīng)用，所選 MOSFET 的額定導(dǎo)通電阻應(yīng)針對(duì) 3V 或更小的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。例如，對(duì)于具有 3.3V 驅(qū)動(dòng)的100 mA負(fù)載，額定漏極電流為250 μA的FET在柵極 - 源極施加 1V 電壓時(shí)，不一定能提供滿意的結(jié)果。在從 5V 轉(zhuǎn)換到 3V 技術(shù)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查柵極- 源極閾值和導(dǎo)通電阻特性參數(shù)，如圖 19-1所示。稍微減少柵極驅(qū)動(dòng)電壓，可以顯著減小漏電流。

對(duì)于 MOSFET，低閾值器件較為常見(jiàn)，其漏－源電壓額定值低于 30V。漏－源額定電壓大于 30V的 MOSFET，通常具有更高的閾值電壓 （VT）。

如表 19-1 所示，此 30V N 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)的閾值電壓是 0.6V。柵極施加 2.8V 的電壓時(shí)，此MOSFET 的額定電阻是 35 mΩ，因此，它非常適用于 3.3V 應(yīng)用。

對(duì)于 IRF7201 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)范，柵極閾值電壓最小值規(guī)定為 1.0V。這并不意味著器件可以用來(lái)在1.0V 柵 - 源電壓時(shí)開(kāi)關(guān)電流，因?yàn)閷?duì)于低于 4.5V 的VGS （th），沒(méi)有說(shuō)明規(guī)范。對(duì)于需要低開(kāi)關(guān)電阻的 3.3V 驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，不建議使用 IRF7201，但它可以用于 5V 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。